金属力学性能及其他性能ppt课件

1、8. 金属的力学性能及其他性能金属的力学性能及其他性能 8 81 1 金属的应力与应变金属的应力与应变 8 82 2 弹性性能弹性性能 8 83 3 金属单晶体的塑性形变金属单晶体的塑性形变 8 84 4 金属多晶体的塑性变形金属多晶体的塑性变形 8 85 5 合金的塑性变形合金的塑性变形 8 86 6 塑性变形对合金组织和性能的影响塑性变形对合金组织和性能的影响 8 87 7 金属及合金的回复与再结晶金属及合金的回复与再结晶 8 88 8 金属的断裂金属的断裂 8 89 9 金属的疲劳金属的疲劳 8 81010 金属的蠕变和耐久强度金属的蠕变和耐久强度 8 81111 硬度硬度 8 812

2、12 金属的磨损金属的磨损8 813 13 金属的物理和化学性能金属的物理和化学性能 8 81414 金属的工艺性能金属的工艺性能小结小结 金属资料的性能包括运用性能和工艺性能两方面。 运用性能是指金属资料在运用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能； 工艺性能是指制造过程中资料顺应加工的性能。 金属资料的性能金属资料的性能金属资料的力学性能亦称机械性能，指金属资料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，其方式如以下图。 载荷的方式载荷的方式 a拉伸载荷拉伸载荷 b紧缩载荷紧缩载荷 c弯曲载荷弯曲载荷 d剪切载荷剪切载荷

3、 e改动载荷改动载荷金属资料的力学性能金属资料的力学性能8 81 1 金属的应力与应变金属的应力与应变 金属在外力载荷作用下，首先发 生弹性变形，载荷添加到一定大小，发生塑性变形，到达一定大小后，便发生断裂。金属在外力作用下的上述表现，可以反映在应力-应变曲线上。 8.1.1 8.1.1 拉伸的应力与应变拉伸的应力与应变 将一截面为圆形的低碳钢或铸铁拉伸试样在资料实验机上进展拉伸, 可测得应力-应变曲线。图中图中 为应力为应力, MPa 为应变为应变, 式中：式中：P为所加载荷为所加载荷, Ao为试样原始截面积为试样原始截面积, l0为试样的原始标距长度为试样的原始标距长度, l为试样变形后的

4、标距长度为试样变形后的标距长度, l为伸长量。为伸长量。圆形拉伸试样圆形拉伸试样a拉伸前；拉伸前；b 拉伸拉伸后后低碳钢和铸铁的低碳钢和铸铁的-曲线曲线低碳钢低碳钢 ；b铸铁铸铁0001 0 0 %lllll PA/01 1拉伸变形的几个阶段拉伸变形的几个阶段 Oe: 弹性变形阶段 试样变形量与外加载荷成正比, 载荷卸掉后试样恢复到原来的尺寸。es: 屈服阶段 不只需弹性变形, 还发生了塑性变形。即载荷卸掉后, 一部分形变恢复, 一部分形变不能恢复, 形变不能恢复的变形称为塑性变形。 sb: 强化阶段 载荷不时添加, 塑性变形增大, 资料变形抗力也逐渐添加。bz: 缩颈阶段 当载荷到达最大值时

5、, 试样直径发生部分收缩, 称为“缩颈。此时变形所需的载荷逐渐降低。 z点: 试样断裂 试样在此点发生断裂。 低碳钢和铸铁的低碳钢和铸铁的-曲线曲线a低碳钢低碳钢 ；b铸铸铁铁2 2强度强度 根据变形特点，强度目的有： 1弹性极限值 资料坚持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件 的设计根据。2屈服极限屈服强度 金属开场发生明显塑性变形的抗力, 有些资料如铸铁没有明显的屈服景象, 那么用条件屈服极限来表示: 产生0.2%剩余应变时的应力值, 用 表示。 3强度极限抗拉强度 金属受拉时所能接受的最大应力。es0.2b3 3塑性塑性 断裂前金属资料产生永久变形的才干称为塑性断裂前金属资

6、料产生永久变形的才干称为塑性, 用延伸率和断面收缩用延伸率和断面收缩率来表示。率来表示。 1延伸率延伸率 式中：式中： 为试样拉断后的标距为试样拉断后的标距mm , 为试样的原始标距为试样的原始标距mm, 为为 最大伸长量。最大伸长量。 2 断面收缩率断面收缩率 试样拉断后试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比 称为断面收缩率称为断面收缩率, 用符号用符号 表示。表示。 式中：式中：S1为试样拉断后缩颈处最小横截面积为试样拉断后缩颈处最小横截面积mm2, S0为试样的原始为试样的原始 横断面积横断面积mm2, 为试样缩颈处截面积的

7、最大缩减量为试样缩颈处截面积的最大缩减量mm2。 1000100%lllll0ll0100100%SSSSSSl1l0lS8.1.2 紧缩的应力与应变 铸铁等脆性资料试样到达最大载荷Pbc时就忽然发生断裂。低碳钢等塑性资料，在比例极限负荷Ppc后，开场呈现变形增长较快的一小段，表示到达了屈服负荷Psc，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。以后曲线继续上升，这是由于塑性变形迅速增长，试样截面积也随之增大，增大的面积能接受更大的负荷。其上的虚线表示资料被压扁但不时裂。由紧缩曲线可以得出紧缩强度目的 抗压强度和塑性目的 相对紧缩率、 相对断面扩展率，可分别采用下述公式计算： 式中：Pbc为紧缩断裂载荷

8、；S0、Sk为试样的原始截 面积和破坏时的截面积；h0、hk为试样的原始 高度和破坏时的高度。bccc 铸铁和低碳钢的紧缩曲线 1-铸铁；2-低碳钢0bcbcSP%1000k0chhh%10000kcSSS8.1.3 弯曲的应力与应变 弯曲实验中的加荷方法 a三点加载；b四点加载 弯曲力矩-挠度曲线 当实验进展到P点时，弯曲力矩M与挠度f仍坚持正比关系；进展到e点时，挠度f仍为弹性变形；超越e点，那么除弹性变形外同时将产生一定的塑性变形；到达b点时，弯曲力矩为最大值Mb。超越此点，弯曲力矩将逐渐下降，直至试样破断。这一关系曲线和应力-应变曲线及扭矩-改动角关系曲线颇为类似，只是它们的坐标不一样

9、而已。 根据资料力学的弯曲公式并参考图所示各点，可以得到抗弯弹性极限及产生一定微量塑性变形的抗弯屈服强度。当试样发生较大塑性变形时，试样中应力分布趋于复杂，弯曲公式不再有效。 资料的塑性可用弯曲最大挠度fmax表示。8.1.4 剪切的应力与应变构件在剪切时受力和变形特点构件在剪切时受力和变形特点 作用在构件两侧面上外力的合力大小相等、方向相反、作用线相距较近，并将各自作用的构件部分沿着与合力作用线平行的受剪面m-m截面发生错动。构件在剪切时，受剪面上的内力称为剪力，相应的受剪面上将有剪应力，通常假设受剪面上各点处的剪应力相等，因此，它实践上就是截面上的平均应力，剪应力用 表示。试样受剪情况及压

10、式剪切器试样受剪情况及压式剪切器a受剪情况；受剪情况；b压式剪切器压式剪切器 双剪实验是最常用的剪切实验。双剪实验时，试样在两截面-，-上同时受剪力作用图中a。双剪实验时所用的剪切器有拉式及压式两种。图b为压式剪切器表示图。 双剪实验时，剪切强度 以下式计算：20022dPSP式中式中: P为试样被剪断时的最大负荷，为试样被剪断时的最大负荷，N； d0为试样直径，为试样直径，mm。8.1.5 8.1.5 改动的应力与应变改动的应力与应变 圆柱体受扭矩作用产生改动角 M-曲线 把一对扭矩M施加于一圆柱体，将产生一改动角 。如把M和相应的 值绘成曲线，那么得如以下图的扭矩-改动角曲线M- 曲线。它

11、与拉伸实验中的应力-应变曲线极为类似。这是由于在实验过程中，试样外形几乎坚持不变，即使进入塑性阶段，扭矩M仍逐渐添加，直至试样断裂。改动性能改动性能退火低碳钢的改动图退火低碳钢的改动图1改动比例极限改动比例极限 改动曲线开场偏离直线改动曲线开场偏离直线ON时的时的扭矩扭矩Mp与试样的断面系数与试样的断面系数W之比。对圆之比。对圆柱形试样，柱形试样， d0为试样直径。为试样直径。2改动条件强度极限改动条件强度极限 亦称为抗剪强度，为试样扭断前的最亦称为抗剪强度，为试样扭断前的最大扭矩大扭矩Mb与试样断面系数与试样断面系数W的比值。的比值。3改动屈服强度改动屈服强度 其数值为剩余改动切应变为其数值

12、为剩余改动切应变为0.3%时的时的扭矩扭矩M0.3与试样断面系数与试样断面系数W之比。之比。4切变弹性模量切变弹性模量G16/30dWpb3 . 040032dMrG式中：式中：l0为试样原始标距；为试样原始标距； 为试样在弹性变为试样在弹性变 形阶段的相对改动角；形阶段的相对改动角；M为试样在弹性为试样在弹性 变形阶段的扭矩变形阶段的扭矩8 82 2 弹性性能弹性性能 在弹性变形范围内，应力和应变的关系符合虎克定律：在弹性变形范围内，应力和应变的关系符合虎克定律： =E 或或=G式中式中,为正应力和切应力；为正应力和切应力；,为正应变和切应变；为正应变和切应变；E , G为正弹性模量和切弹性

13、模量。上式可改写为：为正弹性模量和切弹性模量。上式可改写为： E=/或或 G=/所以，弹性模量所以，弹性模量E、G是应力应变曲线上的斜率。金属的弹是应力应变曲线上的斜率。金属的弹性模量性模量E 、G是表示资料对弹性变形的抗力，即表示零件或构是表示资料对弹性变形的抗力，即表示零件或构件坚持原有外形与尺寸的才干，也称为资料的刚度，资料的弹件坚持原有外形与尺寸的才干，也称为资料的刚度，资料的弹性模量性模量E愈大，它的刚度愈大。愈大，它的刚度愈大。单晶体的弹性模数单晶体的弹性模数E是有方向性的。是有方向性的。多晶体表现出伪无方向性。多晶体表现出伪无方向性。8.3 8.3 金属单晶体的塑性形变金属单晶体

14、的塑性形变 单晶体塑性变形的根本方式有两种：滑移和孪生。 8.3.1 滑移 滑移是晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面滑移面上的一定方向滑移方向相对于另一部分发生滑动。1. 滑移特征滑移特征 1滑移线与滑移带 左图中那些相互平行的细线，通常称为滑移带。 组成滑移带的那些细线称为滑移线。滑移线及滑移带的表示图如右图所示。 纯铝试样的滑移带纯铝试样的滑移带 滑移线和滑移带表示图滑移线和滑移带表示图 2 滑移系滑移系 金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进展的。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。 滑移面和滑移方向往往是金属晶体中 原子面密度最大的晶面密排面和其上 线密度最大的晶向

15、密排方向。 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。 金属晶体中的滑移系愈多，滑移时能够选择的空间取向愈多，金属发生滑移的能够性越大，塑性就越好。 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好，而密排六方晶格金属由于滑移系数目少，塑性较差。 三种常见晶格的滑移系晶格体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 滑移面 1106 1114 00011 滑移方向 2 3 3 滑移系 62 = 12 43 = 12 13 = 3 1120三种常见晶格的滑移系三种常见晶格的滑移系3 3滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 金属晶体受外力作用时，外力在晶体内部均

16、可分解为垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。滑移面上沿着滑移方向的分切应力到达某一临界值时，晶体开场滑移。 单晶体在滑移变形时的应力分解图单晶体在滑移变形时的应力分解图 式中：式中：P P为外力，为外力，F F为晶体横截面积，为晶体横截面积，为滑移方向与外力为滑移方向与外力 轴线的夹角，轴线的夹角， 为滑移面的法线与外力轴线的夹角。为滑移面的法线与外力轴线的夹角。 coscosPF 当滑移开场时，上页公式中的到达临界值c。这时在宏观上金属开场屈服，P/F该当等于s，将其代入上页公式，即得 式中: c称为金属晶体的临界分切应力； 称为取向因子或施密特Schmid因子，取 向因子大的称软取向；

17、取向因子小的称硬取 向。 coscoscscoscos滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力4 4金属晶体在滑移时的转动金属晶体在滑移时的转动 随着滑移的进展，金属晶体还会产生转动，从而使金属晶体的空间取向发生变化。在拉伸时，晶体转动的结果是使其滑移方向逐渐转到与应力轴相平行的方向；而在紧缩时，晶体转动是使其滑移面逐渐转到与应力轴相垂直的方向。 金属晶体在滑移时的转动 a拉伸时；b紧缩时 在拉伸时金属晶体发生转动的机制表示图在拉伸时金属晶体发生转动的机制表示图 以拉伸为例分析金属晶体在滑移时产生转动的缘由以拉伸为例分析金属晶体在滑移时产生转动的缘由滑移时产生转动的缘由滑移时产生转动的缘由 2 2

18、滑移机理滑移机理 滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的刚性滑动，而是经过位错的运动来实现的。在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位错自左向右挪动时，晶体产生滑移。 位错运动构成滑移位错运动构成滑移 位错的运动本质上是原子的运动，它不是整个滑移面上全部原子一齐挪动，而是经过位错中原子的逐一递进像接力赛跑一样，将位错中心由一个平衡位置转移到另一个平衡位置而进展的。经过位错的逐渐滑移比整体滑移所需的临界切应力要小得多。正是位错运动的这一特点，使金属晶体具有良好的塑性变形才干。 刃型位错的滑移过程刃型位错的滑移过程 位错运动与滑移位错运

19、动与滑移8.3.2 8.3.2 孪生孪生 在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面孪生面和晶向孪生方向发生切变的变形过程称为孪生。发生切变、位向改动的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布构成对称。 通常以为，孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，切变区的宽度较小，在金相显微镜下普通呈带状有时为透镜状，称为孪晶带。 面心立方晶体是由一系列111面沿着111方向按照ABCABCA的规律堆垛而成的。在有切应力作用时，假设晶体内部分区域的111晶面沿着 方向即图中的AB方向产生一个切动间隔 为 的均匀切变，即可得到如以下图的情况。面心立方晶体中面心立方晶体中的孪生面及孪生方向

20、的孪生面及孪生方向 1121126a面心立方晶体中的孪生面心立方晶体中的孪生 在孪生变形中，已发生均匀切变的那部分晶体称为孪晶或孪晶带，均匀切变区与未切变区的分界面即二者的镜面对称面称为孪晶界。发生均匀切变的晶面称为孪生面，在图中为111面；孪生面切动的方向那么称为孪生方向，在图中为 晶向。 在孪生变形中，对应于一定类型的晶体构造有着固定的切变面孪生面与切变方向孪生方向，诸切变面切变挪动的间隔 互不相等，也不是切变方向原子间距的整数倍，而是正比于晶面与孪晶界的间隔 。 112面心立方晶体孪面心立方晶体孪生切变过程表示图生切变过程表示图 孪生变形的特点孪生变形的特点8.4 8.4 金属多晶体的塑

21、性变形金属多晶体的塑性变形 8.4.1 8.4.1 多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形的特点 8.4.2 8.4.2 晶粒大小对变形的影响晶粒大小对变形的影响 8.4.1 8.4.1 多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形的特点 1 首先在那些取向因子首先在那些取向因子m最大，即沿最大，即沿此滑移系的分切应力已优先到达其临界此滑移系的分切应力已优先到达其临界值的晶粒中开场滑移图中值的晶粒中开场滑移图中A晶粒晶粒. 2 位错在晶界附近塞积，会使临近的位错在晶界附近塞积，会使临近的晶粒晶粒B和和C中某些滑移系中的位错也开中某些滑移系中的位错也开动起来而发生相应的滑移。动起来而发生相应的滑移。3 A中的

22、位错又重新开动，并进而使位中的位错又重新开动，并进而使位错移出这个晶体。这样变形便从一个晶错移出这个晶体。这样变形便从一个晶粒传送到另一个晶粒。一批批晶粒如此粒传送到另一个晶粒。一批批晶粒如此逐逐传送下去，可使变形涉及整个晶体。传送下去，可使变形涉及整个晶体。4 多晶体中晶粒的变形要遭到临近晶粒多晶体中晶粒的变形要遭到临近晶粒的制约和协调作用。的制约和协调作用。 多晶体的滑移表示图多晶体的滑移表示图 1.多晶体变形的过程多晶体变形的过程 由于晶界的妨碍和临近不同位向晶粒的相互制约和协调作用，多晶体的塑性变形抗力通常比单晶体的要高，对具有密排六方构造的锌尤为显著。 单晶体与多晶体的应力应变曲线

23、a锌； b铝 多晶体与单晶体比较多晶体与单晶体比较2. 2. 多晶体变形的不均匀性多晶体变形的不均匀性 各个晶粒之间的变形不均匀，每一个晶粒内部晶界和中心的变形也不均匀，结果产生了晶体内部的微观内应力。 3. 多晶体变形时晶粒的转动 多晶体变形中，各个晶粒在滑移的同时，其滑移方向都有着转向与力轴平行或垂直的趋势，当变形量很大70%-80%时，各晶粒的取向几乎趋于一致。这种由于变形而构成晶粒择优取向陈列的组织，称为变形织构。8.4.2 8.4.2 晶粒大小对变形的影响晶粒大小对变形的影响 晶粒越小，对塑性变形的抗力越大，屈服强度愈高，而且塑性、韧性也好，称为细晶强化。这是一种非常重要的强韧化的手

24、段。 晶粒平均直径d与屈服强度 的关系可表示为 式中： 0 和K 皆为常数，前者表示晶内对变形的抗力，约相当于单晶体 的2-3倍左右，后者表示晶界对变形影响的程度，随晶界构造而定。此公式适用于大多数金属资料 s120sKd0k 低碳钢的晶粒大小低碳钢的晶粒大小与屈服强度的关系与屈服强度的关系 8.5 8.5 合金的塑性变形合金的塑性变形 随着溶质原子的参与，合金的塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度的不时添加，塑性、韧性的不时下降，即产生了“固溶强化作用。 Cu-Ni固溶体的机固溶体的机械性能与成分的关系械性能与成分的关系 8.5.1 8.5.1 固溶体塑性变形特点固溶体塑性变形特点 1溶质

25、原子的浓度越高，强化作 用越大。2溶质原子与基体金属溶剂的 原子尺寸相差越大，强化作用 越大。3构成间隙固溶体的合金元素一 般要比构成置换固溶体的合金 元素的强化效果大。 s 溶质对Cu单晶临界分切应力的影响 不同溶质原子所引起的强化规律不同溶质原子所引起的强化规律 固溶强化的主要缘由是溶质原子与位错的弹性交互作用，妨碍了位错的运动。 由于溶质原子的溶入构成了点阵畸变，其应力场将与位错的应力场发生弹性交互作用，结果使溶质原子趋于聚集在位错的周围，好似构成了一个溶质原子“气团，称为柯氏气团。柯氏气团对位错有“钉扎作用，为使位错挣脱“气团而运动就必需施加更大的外力，因此固溶体合金的塑性变形抗力要比

26、纯金属大。溶质原子聚集在溶质原子聚集在位错附近的表示图位错附近的表示图 固溶强化与位错固溶强化与位错8.5.2 8.5.2 多相合金的塑性变形特点多相合金的塑性变形特点 其塑性变形不只取决于基体相的性质，而且还取决于第二相的性质、外形、大小、数量和分布等情况。后者在塑性变形中往往起着决议性的作用。 合金中第二相妨碍变形的作用，根据其外形和分布不同而有很大差别。1假设硬而脆的第二相呈延续的网状分布在塑性相的晶界上，合金的假设硬而脆的第二相呈延续的网状分布在塑性相的晶界上，合金的塑性将大大下降，而且脆性相数量愈多，网越延续，合金的塑性就塑性将大大下降，而且脆性相数量愈多，网越延续，合金的塑性就越差

27、。甚至强度也随之下降。例如，过共析纲中网状二次越差。甚至强度也随之下降。例如，过共析纲中网状二次Fe3C及高及高速纲中的骨骼状速纲中的骨骼状 一次碳化物皆使纲的脆性添加，强度、塑性降低。一次碳化物皆使纲的脆性添加，强度、塑性降低。2假设脆性的第二相呈片状或层状分布在晶内，如铁碳合金中的珠光假设脆性的第二相呈片状或层状分布在晶内，如铁碳合金中的珠光体组织。这种分布不致使纲脆化体组织。这种分布不致使纲脆化,而且由于铁素体的变形遭到妨碍，而且由于铁素体的变形遭到妨碍，位错的挪动被限制在碳化物片层之间的很短间隔位错的挪动被限制在碳化物片层之间的很短间隔 之内之内,添加了继续变添加了继续变形的阻力形的阻

28、力,故提高了合金的强度故提高了合金的强度. 珠光体越细珠光体越细,片层间距越小片层间距越小,其强度越其强度越高。高。3假设脆性的第二相呈颗粒状均匀分布在晶内，强度降低，塑性，韧假设脆性的第二相呈颗粒状均匀分布在晶内，强度降低，塑性，韧性获得显著改善。性获得显著改善。第二相妨碍变形作用的差别第二相妨碍变形作用的差别 假设合金中的第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体上，那么可显著提高合金的强度，称为弥散强化。假设这种微粒是经过过饱和固溶体的时效处置而沉淀析出来的，那么称为沉淀强化或时效强化。 弥散强化与沉淀强化弥散强化与沉淀强化8.6 8.6 塑性变形对合金组织和性能的影响塑性变形对合金组织和性能

29、的影响 8. 6. 1 8. 6. 1 塑性变形对组织构造的影响塑性变形对组织构造的影响8. 6. 2 8. 6. 2 塑性变形对性能的影响塑性变形对性能的影响 8.6.1 8.6.1 塑性变形对组织构造的影响塑性变形对组织构造的影响1.显微组织的变化 呈现大量的滑移带、孪生带，晶粒外形也逐渐发生了变化，甚至呈现纤维组织。 低碳钢冷变形后的显微组织低碳钢冷变形后的显微组织左图中：左图中：a 热扎态热扎态b 变形变形52%c 变形变形72%d 变形变形95% 当金属资料内部组织当金属资料内部组织不均匀，如有枝晶偏析不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物偏析时，塑性或夹杂物偏析时，塑性变形会使这些区域伸长，

30、变形会使这些区域伸长，这样在热加工后或随后这样在热加工后或随后的热处置过程中往往会的热处置过程中往往会呈现带状组织。呈现带状组织。2. 2. 亚构造的细化亚构造的细化 铸态金属中亚构造的边长约为102cm，经塑性变形后，亚构造将细化到104-106cm。 呈现“胞状亚构造。纯铁变形亚构造的薄膜透射像纯铁变形亚构造的薄膜透射像a变形变形9%；b变形变形20%3. 3. 形变织构形变织构 由于各晶粒的转动，当变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋于一致，即构成了形变织构。 拉拔构成的织构，称丝织构。其特征是各个晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行。 轧制构成的织构，称板织构。其特征是各个晶粒的某一晶

31、面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。丝织构表示图丝织构表示图 板织构表示图板织构表示图 4. 4. 残留内应力和点阵畸变残留内应力和点阵畸变 1残留内应力 1宏观内应力：由于工件各部分之间变形不均 匀性所产生的。 2微观内应力：塑性变形时,各晶粒或亚晶粒内 或之间的变形不均匀而产生的。 2点阵畸变 金属和合金经塑性变形后，位错、空位等晶体缺陷大大添加，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，构成点阵畸变。8.6.2 8.6.2 塑性变形对性能的影响塑性变形对性能的影响 随着塑性变形程度的添加，金属资料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性很快下降，即产生了加工硬化景象1. 加工硬化加工硬化加工

32、硬化的特点 加工硬化是强化金属的一种重要方法。对一些不能用热处置方法来强化的资料，更具有重要的适用性。例如，某些不锈钢经冷轧后，能够其强度提高将近一倍。 产生加工硬化的缘由，与位错的运动和交互作用亲密相关。随着塑性变形的进展，位错密度不时添加，其间的相互作用加剧，产生了塞积群、缠结网和胞状亚构造等，妨碍了位错的进一步运动，大大添加了不能挪动位错的数量。因此，显著提高了金属继续变形的流变应力。 加工硬化的特点与缘由加工硬化的特点与缘由2. 2. 其它物理、化学性能的变化其它物理、化学性能的变化 1 1导磁率、导电率和电阻温度系数等下降；导磁率、导电率和电阻温度系数等下降；2 2矫顽力及电阻率等添

33、加；矫顽力及电阻率等添加；3 3比重、导热系数等有一定的下降。比重、导热系数等有一定的下降。 8.7 8.7 金属及合金的回复与再结晶金属及合金的回复与再结晶 形变后的金属和合金，在组织、构造和性能都发生了复杂的变化。温度较高，原子具有相当的分散才干时，形变后的金属和合金就会自发地向着自在能降低的方向转变。进展这种转变的过程称为回复与再结晶。前者指在较低温度下、或在较早阶段所发生的转变过程；后者那么指在较高温度下、或较晚阶段发生的转变过程。 8.7.1 8.7.1 形变金属或合金加热过程中的普通变化形变金属或合金加热过程中的普通变化 形变金属在加热过程中会呈现回复、再结晶以及晶粒长大的过程。显

34、微组织的根本变化 在0t1阶段，显微组织几乎看不出任何变化，晶粒仍坚持伸长状或扁片状，为回复阶段；在t1t2阶段，形变晶粒内发生了新晶粒的生核和长大，形变组织完全为新等轴晶取代，为再结晶阶段；在t2t3阶段，新晶粒逐渐合并长大，到达稳定的尺寸，为晶粒长大阶段。 回复、再结晶及晶粒长大过程表示图回复、再结晶及晶粒长大过程表示图 2. 2. 性能的变化性能的变化 回复及再结晶过程中性能的变化回复及再结晶过程中性能的变化8.7.2 8.7.2 回复回复 1.当加热漫度较低时，首先发生点缺陷的运动和其相互结合而消逝。 2.当加热温度较高时，原来在变形 晶粒中杂乱分布的位错逐渐集中，相互结合和按照某种规

35、律陈列起来。这样在变形晶粒中构成许多较完好的小晶块，称为回复亚晶，这一过程称为多边化。刃型位错的刃型位错的攀移和滑移表示图攀移和滑移表示图 多边化前、后刃型多边化前、后刃型位错的陈列情况位错的陈列情况a多边化前；多边化前； b多边化后多边化后8.7.3 8.7.3 再结晶再结晶 1. 再结晶过程再结晶过程 再结晶过程是新晶粒生核和长大再结晶过程是新晶粒生核和长大的过程。的过程。 再结晶过程表示图再结晶过程表示图 2. 2. 再结晶温度及其影响要素再结晶温度及其影响要素 1再结晶温度 冷变形金属开场进展再结晶的最低温度，称为再结晶温度。为了便于比较和运用方便，通常消费上运用的再结晶温度是指经过大

36、的冷变形变形度70%的金属在1小时内可以完成再结晶或已再结晶的体积分数95%的最低温度。2 2影响再结晶的主要要素影响再结晶的主要要素 1 温度： 加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶所需求的时间也越短。经经98%98%冷轧的纯铜冷轧的纯铜99.999%Cu99.999%Cu在不同温度下的等温再结晶曲线在不同温度下的等温再结晶曲线 2变形程度：变形程度： 冷变形度越大，冷变形度越大，T再越再越低；变形度大到一定程度，低；变形度大到一定程度，T再趋于一稳定值，即最低再趋于一稳定值，即最低T再；变形度小到一定程度，再；变形度小到一定程度，T再趋向熔点，不发生再结再趋向熔点，不发生

37、再结晶。可以发生再结晶的最小晶。可以发生再结晶的最小变形度，称为临界变形度。变形度，称为临界变形度。在临界变形度下，在临界变形度下，T再值最再值最高。高。 纯金属，最低纯金属，最低T再再K与其熔点与其熔点T熔熔K之间存之间存在以下阅历关系：在以下阅历关系： T再再0.35 0.40T熔熔铁和铝的开场再结晶铁和铝的开场再结晶温度与冷变形程度的关系温度与冷变形程度的关系3原始晶粒尺寸：金属的晶粒越细小，再结原始晶粒尺寸：金属的晶粒越细小，再结 晶温度较低。晶温度较低。4微量溶质原子：微量溶质元素能显著提高微量溶质原子：微量溶质元素能显著提高 T再，金属越纯其再，金属越纯其T再越低。再越低。3. 3

38、. 再结晶晶粒大小的控制再结晶晶粒大小的控制 再结晶晶粒的平均直径可用下式来表达 式中:K为比例常数。细化再结晶晶粒，必需减小G/N的比值。影响N和G的有以下几个主要要素： 1变形程度 2原始晶粒的尺寸 3微量溶质原子和杂质 4变形温度 1/4GdKN1 1变形程度变形程度 当变形度很小时不发生再结晶，故晶粒度不改动； 发生再结晶的最小变形度，通常在2%-8%范围内，即所谓“临界变形度，此时再结晶晶粒特别粗大； 当变形度大于临界变形度，那么晶粒逐渐细化，变形度愈大、晶粒愈细小。 金属冷变形度对金属冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响再结晶后晶粒大小的影响 2 2原始晶粒的尺寸原始晶粒的尺寸 当变形

39、度一定时，原始晶粒越细再结晶后的晶粒也愈细。 黄铜的再结晶晶粒大小与黄铜的再结晶晶粒大小与变形度及原始晶粒大小的关系变形度及原始晶粒大小的关系 3 3微量溶质原子和杂质微量溶质原子和杂质微量溶质原子和杂质，普通都能起细化晶粒微量溶质原子和杂质，普通都能起细化晶粒的作用。的作用。4 4变形温度变形温度 变形温度愈高，回复的程度便愈大，使晶粒变形温度愈高，回复的程度便愈大，使晶粒粗化。粗化。 8.7.4 8.7.4 再结晶后的晶粒长大再结晶后的晶粒长大 晶粒长大是一个自发过程，其结果是使晶界减少，总的界面自在能降低，组织变得更为稳定。 再结晶后晶粒长大过程有两种类型：一种是随温度的升高或时间的延伸

40、而均匀地延续长大，称为正常长大；另一种是不延续、不均匀的或突发式的长大，称为反常长大，亦称二次再结晶。 1.1.晶粒的正常长大晶粒的正常长大 晶粒长大是经过大角晶界的挪动、相互合并的方式进展的。由大晶粒吞并小晶粒而使一些晶粒逐渐长大。 主要影响要素有： 1温度：温度越高晶粒长大速度越快。 2杂质或溶质原子：杂质添加，晶界挪动速度降低。 3第二相质点：当晶界挪动遇到第二相质点时，降低晶粒长大速度。2. 2. 晶粒的反常长大二次再结晶晶粒的反常长大二次再结晶 在某些情况下，再结晶完成后晶粒长大呈现少数较大的晶粒优先快速长大，逐渐吞食其周围大量的小晶粒，最后构成非常粗大的组织。这种景象通常亦称为二次

41、再结晶。将前节所讨论的再结晶，称为一次再结晶，以资区别。 由于二次再结晶会构成非常粗大的晶粒，从而降低资料的强度、塑性和韧性，并影响冷变形后的外表光洁度。 8.7.5 8.7.5 再结晶退火后的组织再结晶退火后的组织 再结晶退火是将冷变形金属加热到规定温度保温一定时间，然后缓慢冷却至室温的一种热处置操作。其目的是不同程度地恢复或进一步改善资料的性能。 1. 1. 再结晶退火后的晶粒大小再结晶退火后的晶粒大小 退火后的晶粒大小主要取决于变形程度和退火温度。变形程度越大，晶粒越细；退火温度越高，那么晶粒越粗。通常将晶粒大小、变形程度及退火温度之间的关系，绘制成立体图形，称“再结晶图。 工业纯铝的再

42、结晶图工业纯铝的再结晶图 2.2.退火孪晶退火孪晶 再结晶退火后的组织中常再结晶退火后的组织中常呈现孪晶，称为退火孪晶。呈现孪晶，称为退火孪晶。3.3.再结晶织构再结晶织构 具有变形织构的资料经再结晶具有变形织构的资料经再结晶退火后，多数情况下依然会具有织退火后，多数情况下依然会具有织构，这种织构，称为再结晶织构。构，这种织构，称为再结晶织构。 8.7.6 8.7.6 金属与合金的热加工金属与合金的热加工 金属与合金的冷加工和热加工的界限，以金属与合金的再结晶温度来划分。凡在低于再结晶温度的加工皆属于冷加工有加工硬化，而高于再结晶温度的加工皆属于热加工无加工硬化。 热加工能消除铸态金属与合金的

43、某些缺陷,如使气孔焊合，使枝晶、柱状晶和粗大晶粒破碎，以及改善夹杂物的分布等，从而能提高金属与合金的致密度和机械性能。 其次，热加工以后钢中的夹杂物、气孔、疏松沿着加工方向延伸，构成彼此平行的宏观条纹组织，即所谓流线热加工纤维组织，使金属与合金的机械性能有明显的方向性-纵向性能高于横向性能。 8.8 8.8 金属的断裂金属的断裂 资料在应力作用下分为两或以上部分的景象称之为为断裂。 韧性断裂：经足够大的塑性变形后才发生的断裂，其断口呈暗灰色，通常是纤维状的。 脆性断裂：几乎没有塑性变形就破断，其断口为闪闪发光的结晶状断口。 断裂的过程是裂纹的产生和开展的过程。资料断裂时，首先构成微裂纹或者以原

44、有的微裂纹、孔洞、杂质等为破坏源，在力的作用下，裂纹或破坏源缓慢扩张到达某一临界尺寸-临界裂纹尺寸，瞬时发生断裂。所以断裂是一个随时间渐进的过程。 8.9 8.9 金属的疲劳金属的疲劳 金属工件接受周期应力，在比接受单一静负荷低得多的应力下失效称为疲劳失效。 疲劳失效通常来源于应力集中处，或是在某个冶金夹杂或裂纹处。裂纹一旦萌生，就会在周期应力作用下穿越零件，当剩下的截面变得很小、无法再接受负荷时，就会发生断裂。 影响疲劳强度的要素：1应力集中:缺口、键槽或截面突变处，疲劳强度大大降低。2外表粗糙度:外表光滑，疲劳强度高；粗糙外表会构成应力集中， 使疲劳裂纹构成。3外表形状：钢的外表硬度提高，

45、可提高疲劳寿命。外表构成剩余压应力层也会提高疲劳寿命。 4环境：假设金属在接受周期应力时还有一个腐蚀性环境，所构成的腐蚀会大大加速裂纹扩展速率。腐蚀和周期应力对金属的综协作用又称腐蚀疲劳。 8.10 8.10 金属的蠕变和耐久强度金属的蠕变和耐久强度 8.10.1 8.10.1 金属的蠕变金属的蠕变 当金属接受恒定负荷或恒定应当金属接受恒定负荷或恒定应力时，经过一段时间后，它能够进力时，经过一段时间后，它能够进展递增的塑性变形。这种与时间有展递增的塑性变形。这种与时间有关的应变，称为蠕变。对于许多在关的应变，称为蠕变。对于许多在高温下任务的工程设计，资料的蠕高温下任务的工程设计，资料的蠕变是决

46、议提高任务温度的限制要素。变是决议提高任务温度的限制要素。 8.10.2 8.10.2 耐久强度耐久强度 金属的耐久强度是在给定温度下，恰好使资料经过规定时间发生断裂的应力值。耐久强度实验的数据可以绘制成以应力为纵坐标，破断时间为横坐标的曲线对数标尺。316型不锈钢在不同温度下，型不锈钢在不同温度下，应力与破断所需时间的关系应力与破断所需时间的关系8 811 11 硬度硬度 资料抵抗另一硬物体压入其内的才干叫硬度，即受压时抵抗部分塑性变形的才干。硬度实验方法很多，硬度有多种表示方式。 主要有以下两种:1. 布氏硬度 2. 洛氏硬度 8 811111 1 布氏硬度布氏硬度 一定直径的球体钢球或硬

47、质合金球在一定载荷作用下压入试样外表，坚持一定时间后卸除载荷，丈量其压痕直径, 计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位外表积上所接受的平均压力来表示。用符号HBS当用钢球压头时或HBW当用硬质合金球时来表示.。 式中：F为荷载N，D为球体直径mm， d为压痕平均直径mm。222HBS(HBW) = 0.102(FD DDd布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图 实践丈量时, 可查相应的压痕直径与布氏硬度对照表查得硬度值。 布氏硬度主要用于各种退火形状下的钢材、铸铁、有色金属等, 也用于调质处置的机械零件。8.11.2 8.11.2 洛氏硬度洛氏硬度 将金刚石压头或钢球压头, 在先后施加两个载荷预载

48、荷P0和总载荷P的作用下压入金属外表。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后, 丈量其剩余压入深度e来计算洛氏硬度值。剩余压入深度e越大, 表示资料硬度越低, 实践丈量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。如洛氏硬度表示为62HRC, 表示用金刚石园锥压头, 总载荷为150kgf测得的洛氏硬度值。 洛氏硬度丈量原理图洛氏硬度丈量原理图 常用洛氏硬度值的符号常用洛氏硬度值的符号, , 实验条件与运用实验条件与运用 标度符号压头总载荷Kgf表盘上刻度颜色常用硬度应用举例HRA 金刚石园锥60黑线7085碳

49、化物、硬质合金、外表硬化工件等HRB1/16钢球100红线25100 软钢、退火钢、铜合金等HRC 金刚石园锥150黑线20-67淬火钢、调质钢等 洛氏硬度实验用于实验各种钢铁原资料、有色金属、经淬火后工件、外表热处置工件及硬质合金等。 资料的硬度还可用维氏硬度实验方法和显微硬度实验方法测定。 各种不同方法测得的硬度值之间可经过查表的方法进展互换。如: 61HRC = 82HRA = 627HB = 803HV308.12 金属的磨损金属的磨损 由于零件之间相对摩擦的结果，引起摩擦外表的微小颗粒被分别出来，使接触外表不时发生尺寸变化和质量损失，这种景象称为磨损。磨损过程普通分为三个阶段：跑合阶

50、段磨合阶段；稳定磨损阶段；猛烈磨损阶段。 按资料磨损的破坏机理来分类，可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。通常情况下，主要是粘着磨损和磨粒磨损。 资料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的才干即为资料的耐磨性。有人估计，世界的能源有1/3是耗费在摩擦上，摩擦的存在必然导致机件的磨损，根据统计有80%的机件是由于磨损而报废的，可见认识并掌握摩擦、磨损规律，提高资料外表的耐磨性，具有非常重要的意义。8.13 8.13 金属的物理和化学性能金属的物理和化学性能 8 813131 1 金属的物理性能金属的物理性能1. 1. 密度密度 2. 2. 熔点熔点 3. 3. 导热性导热性

51、 4. 4. 导电性导电性 5. 5. 热膨胀性热膨胀性6. 6. 磁性磁性 1. 1. 密度密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度:式中：为物质的密度kg/m3, m为物质的质量 kg, V为物质的体积m3。密度小于5103kg/m3 的金属称为轻金属, 如铝、镁、钛及它们的合金。 密度大于5103 kg/m3的金属称为重金属, 如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。 mV2.2.熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。 熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件。 熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火平安阀零件

52、等。 3.导热性 导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是 ,单位是 。热导率越大, 导热性越好。金属的导热性以银为最好, 铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处置时，必需思索金属资料的导热性，防止资料在加热或冷却过程中构成过大的内应力，以免零件变形或开裂。W/m K4.4.导电性导电性 传导电流的才干称导电性，用电阻率来衡量，电阻的单位是 。 电阻率越小，导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。 电阻率小的金属纯铜、纯铝适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金如钨、钼、铁、铬、铝适于做电热元件。 m 金属资料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨

53、胀性。普通来说，金属受热时膨胀体积增大，冷却时收缩体积减少。热膨胀性用线胀系数 和体胀系数 来表示。 式中：l为线胀系数 1/K或1/ l1 膨胀前长度m l2 膨胀后长度m t 温度变化量K或5.5.热膨胀性热膨胀性 211lllltlv3vl金属铝铜镁镍铁钛铅锡锑元素符号AlCuMgNiFeTiPbSnSb密度kg/m31032.708.941.748.97.864.5111.37.36.69熔点6601083650145515391660327232631线膨胀系数1/10-623.116.625.713.511.79.0292311.4导电率%609534231637144导热系数/W

54、 mK-12.093.851.460.590.840.17磁化率21抗磁12铁磁铁磁182抗磁2弹性模量EMPa 7240013000043600210000200000112500抗拉强度Mpa801102002402004005002503302503001820410伸长率 / %3240455011.535402555507045400断面收缩率/% 7090657512.560707085768890900布氏硬度/HB203680651004530色泽 银白银白白灰白暗灰苍灰银白银白b 一些金属的物理性能及机械性能 8 813132 2 金属的化学性能金属的化学性能 1.1.耐腐蚀

55、性耐腐蚀性 金属资料在常温下抵抗氧、水蒸气金属资料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的才干称及其它化学介质腐蚀破坏作用的才干称耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。 2.2.抗氧化性抗氧化性 金属资料在加热时抵抗氧化作用的金属资料在加热时抵抗氧化作用的才干称抗氧化性。参与才干称抗氧化性。参与CrCr、SiSi等合金元等合金元素素, , 可提高钢的抗氧性。可提高钢的抗氧性。金属资料的耐腐蚀性和抗氧化性统金属资料的耐腐蚀性和

56、抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。称为热稳定性。8 814 14 金属的工艺性能金属的工艺性能 冶炼冶炼 铸造铸造 铸锭铸锭 冷冲冷冲 热锻热锻冷轧冷轧 板、棒、板、棒、型材、管材型材、管材 焊接焊接 机加工机加工 机加工机加工 冷轧冷轧热拔热拔 锻件锻件 铸件铸件 零件零件 在铸造、锻压、焊接、机加工等加工过程中，普通还要进展不同类型的热处置。工艺性能是指制造工艺过程中资料顺应加工的性能,它直接影响零件加工后的质量，是选材和制定零件加工工艺道路时该当思索的要素之一。 8 814141 1 铸造性能铸造性能 金属资料铸构成形获得优良铸件

57、的才干称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。1.流动性 熔融金属的流动才干称为流动性。流动性好的金属容易充溢铸型，从而获得外形完好、尺寸准确、轮廓明晰的铸件。2.收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的景象称为收缩性。铸件收缩不只影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。3.偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀景象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差别，降低铸件的质量。 几种金属资料的铸造性能比较 资料资料流动流动性性 收收 缩缩 性性 偏析偏析倾向倾向 其它其它 体收缩体收缩线收缩线收缩 灰口铸铁灰口铸铁好好小小小小小小铸造内应

58、力小铸造内应力小球墨铸铁球墨铸铁稍差稍差大大小小小小易形成缩孔、缩易形成缩孔、缩松，松， 白口化倾向白口化倾向小小 铸钢铸钢差差大大大大大大导热性差，导热性差， 易发易发生冷裂生冷裂铸造黄铜铸造黄铜好好小小较小较小较小较小易形成集中缩孔易形成集中缩孔铸造铝合金铸造铝合金尚好尚好小小小小较大较大 易吸气，易吸气， 易氧化易氧化8 814142 2 锻造性能锻造性能 金属资料用锻压加工方法成形的顺应才干称锻造性。 锻造性能主要取决于金属资料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。碳钢在加热形状下锻造性能较好，其中低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢差。8 814143 3 焊接性能

59、焊接性能 金属资料对焊接加工的顺应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 钢的碳含量是焊接性好坏的主要要素。低碳钢和碳含量低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能, 碳含量大于0.45%的碳钢和碳含量大于0.35%的合金钢的焊接性能较差。碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。8 814144 4 切削切工性能切削切工性能 切削加工性能用切削后的外表质量以外表粗糙度上下衡量和刀具寿命来表示。 影响切削加工性的要素主要是资料的化学成分、组织、硬度、韧性、导热性和形变硬化等。 金属资料具有适当的硬度170HBS230HBS和足够的脆性时切削性良好。改动钢的化学成分如参与少量铅、磷等元素和进展适当的热处置如低碳钢进展退火，高碳钢进展球化退火可提高钢的切削加工性能。几种金属资料的切削加工性能的比较几种金属资料的切削加工性能的比较 等级等级金属资料金属资